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步行康复训练器及其控制策略研究

郑志超  
【摘要】:近年来,由于脊髓损伤、脑卒中等中枢神经系统疾病引起的患有下肢功能障碍的患者数量在逐年增加,步行康复训练机器人具有能够减轻治疗师工作强度、训练重复性好、康复评测指标客观准确等优点,因而得到了广泛的关注与研究。 虽然步行康复训练机器人技术取得了一定研究成果,但是在机器人模拟正常人最优步态、步行训练控制策略及实现、训练信息提取与康复评测等方面仍需进一步的研究。目前,大型公立医院才设有专门的步行康复训练机器人,且占用空间大、价格昂贵,难以推广至社区、家庭:其次,捕捉患者主动参与训练的外在特征,实现人机交互的控制策略多集中在控制算法上,由于下肢模型较为复杂,则对应的控制算法也复杂;此外,训练器配套的康复评测项目繁多,且评测结果也不直观。为了解决上述步行训练机器人存在的问题,本文对步行康复训练器的机构设计、步行训练控制策略以及康复评测进行了研究,具体研究内容如下: (1)设计单自由度足底踏板驱动式步态模拟机构,并对机构参数进行优化,使其不仅能够较为理想地模拟正常人的步态,而且能够实现机构的小型集成化目标;此外,设计步态模拟机构调整装置,以满足不同人步态轨迹的要求。 (2)利用三维设计软件对步行训练器的机械驱动系统、外观造型以及减重和辅助站立等辅具的结构进行设计,同时对其进行合理布局,实现训练器的小型集成化。 (3)提出利用多等级模式方法进行步行训练,并根据该模式方法制定相应的步行训练控制策略以及与训练器相配套的实时康复评测方法。采用“评测—模式选择—训练—评测”的循环控制原则,并基于51单片机对步行训练控制系统的硬件和软件进行设计,实现了步行训练与康复评测的即时交互性。 (4)利用Proteus和Keil软件对51单片机步行训练系统进行仿真联调,并根据仿真电路图制作出了系统的试验电路板,验证了所设计系统的正确性与可行性。 通过以上的研究,所设计的步行训练器不仅能够良好地模拟不同正常人的步态,而且具有高集成度、机构参数易调整、使用方便等特点;相比基于复杂控制算法设计出的控制系统,多等级训练模式下的51单片机步行训练控制系统具有结构紧凑、控制简便等优点;此外,训练器占地空间小,易于推广至今家庭个人。结果表明,所设计的步行康复训练器达到了预期的设计要求。


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